異質結太陽能電池專利技術分析

國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心　周忠饒

異質結太陽能電池專利技術分析

國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心周忠饒

本文針對CNABS和VEN兩大數據庫中的異質結太陽能電池專利進行統計，首先分析了近年來異質結太陽能電池專利申請量的走勢，以及異質結太陽能電池的主要研究方向，并進一步重點分析了國內外質結太陽能電池專利的主要申請人，并且還分析了在異質結太陽電池方面的研究領域靠前的幾個國家，通過分析有助于了解國內外異質結太陽能電池技術的發展現狀，對我國更進一步發展異質結太陽能電池技術具有指導作用。

異質結；太陽能電池；專利；CNABS；VEN

1.技術起源

傳統的基于同質PN結技術的硅基太陽能電池突顯出成本高、效率低、對環境污染嚴重等問題。各種新的概念及其技術的引入成為解決上述問題的途徑，構成了第三代太陽能電池的雛形，其中異質結及其技術就是解決上述問題的關鍵技術，成為硅基太陽能電池最重要的發展方向之一，也是實現第三代太陽能電池構想的支撐技術之一。

異質結構是由兩種禁帶寬度不同的半導體材料相接觸形成的過渡區。1974年a-Si：H/c-Si異質結電池第一次被提出。直到1983年，Y. Hamakawa 等人才制作了第一塊轉換效率為12.37%的a-Si：H/c-Si異質結電池。后來W. Ma 以此為基礎，研制了轉換率為21%的“Honeymoon”疊層電池。1992年，日本人Makoto Tanaka 和Mikio Taguchi等人首次提出將異質結技術應用到硅基太陽能電池的制備過程中。此后，異質結技術與太陽能電池的結合成了太陽能電池新的研究方向。

異質結太陽能電池具有以下優點：

（1）有利于寬譜帶吸收，從而提高效率。通過與晶體硅禁帶寬度不同的材料構成異質結太陽能電池，可展寬對太陽光的吸收譜，從而實現寬譜帶吸收的目的；

（2）增加內建電場，提高注入效率。相對于同質結太陽能電池，異質結具有更大的內建電場，使注入結兩側的非平衡少了電流增加，從而增加開路電壓和短路電流；

（3）減少原料硅消耗，降低成本。異質結的發展使薄膜技術應運而生，從而能夠將電池生長在低成本的玻璃、陶瓷甚至柔性襯底上。

2.異質結太陽能電池專利申請趨勢

首先針對CNABS（中國專利文摘數據庫，China Patent Abstract Database）和VEN（外文數據庫，Virtual or Logical Database）兩大數據庫中關于異質結太陽能電池的申請量按年份進行統計分析。圖1是專利申請量走勢圖，縱坐標代表專利申請的件數，橫坐標代表專利申請的年份，由圖1可以看出，從2004年開始國際申請量開始急劇上升，說明從2004年開始越來越多的人開始關注異質結太陽電池，而國內申請量是從2008年后才開始以較快的速度上升，主要原因是從2008年開始我國政府開始鼓勵和提倡發展光伏產業，從而吸引眾多企業投身到光伏產業的發展中來。總體來看，國外的申請量還是遠遠超過國內的申請量。

分別在VEN和CNABS中對異質結太陽能電池相關的專利的IPC分類號進行了統計。從圖2和圖3可以看出，國內的申請涉及最多的前三個分類為：H01L31/18，H01L31/0352，H01L51/42，而這幾個分類號分別對應太陽能電池的制造方法、太陽能電池組件以及使用有機材料或有機與其他材料的組合作有源部分的固態器件，而國外的申請涉及最多的是前三個分類號為：H01L31/18，H01L31/075，H01L31/04，分別對應于電池的制造方法及其設備、金屬層的制造、半導體制造等。通過對圖2和圖3的分析我們可以看到，人們致力于研究合適的異質結太陽電池材料以及其制造方法，希望能獲得更高的轉換效率。

圖1　專利申請量走勢圖

圖2　國內申請量主要分類號

圖3　國外申請量主要分類號

3.關于國內外異質結太陽能電池專利的主要申請人分析

同樣通過在VEN和CNABS數據庫中對國內外異質結太陽能電池專利的申請人進行統計，從國外申請的統計情況來看，主要是以企業為主，如日本的FUJITU公司、MATUSHITA ELECTRIC IND公司、HITACH公司以及TOSHIBA公司等。由此可見，在全球范圍內來看，企業為異質結太陽電池的發展起到了巨大的推動作用，尤其以日本更為突出，可以看出日本企業在異質結太陽電池領域具有很強的實力。另外，也有一些科研機構也在異質結太陽電池的發展歷程中占據了一席之地。

對于國內申請人的統計情況來看，情況與國外申請的情況恰好相反，在國內有關異質結太陽電池方面的申請主要是以：中國電子科技集團公司第十八研究所、中國科學院電子研究所、清華大學、華南理工大學等為代表的科研機構或高校為主。這主要與我國異質結太陽電池的起步較晚有關，雖然說起步晚，但近些年來國家大力投入和支持光伏產業的發展，所以作為科研力量的先鋒部隊像中國科學院、中國電子科技集團、清華大學等，自然在異質結太陽電池的研究方面走在了前面。近些年來，除了科研機構和高校至于異質結太陽電池的研究外，一些國內的高新科技企業也投身到異質結太陽電池的研究中來，如國光光伏有限公司、蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司、山東力諾太陽能電力股份有限公司等，但相對國外來講數量偏少技術起步較晚，不過隨著企業不斷的發展壯大，相信在不久的將來，在關于異質結太陽電池的研究領域也會有中國企業的一席之地。

通過在VEN中對案件的國籍進行統計，最后得出的結論是，在關于異質結太陽電池方面的研究日本較為突出，緊隨其后的是美國、中國、韓國、臺灣、歐洲，這與整個半導領域的發展情況基本一致。雖然我國在異質結太陽電池方面的研究起步較晚，但由于近些年國家的大力投入和鼓勵，加上一些企業的積極參與，因此，近年來我國在異質結太陽電池方面的發展勢頭迅猛，正在向著太陽能電池技術大國的方向穩步前進。而國內的異質結太陽電池方面的申請主要集中分布在像江蘇、上海、廣東、北京等經濟發達地區，這主要是因為這些省份中經濟相對與其他省份發達、高校和科研機構較多、且能參與研發與制造的企業也多。

4.小結

異質結及其技術在新型硅基太陽能電池領域被廣泛的應用，成為當前研究的熱點。將異質結應用到晶體硅和薄膜硅太陽能電池中，能有效地增加對不能被硅材料吸收波段的太陽光的吸收，提高硅基太陽能電池的轉換效率。然而，由于異質結的引入帶來的晶體硅電池的性能穩定性、工藝兼容性問題，以及薄膜硅電池的異質結界面問題仍然有待解決，進一步的工藝改進和新材料、新結構的剪切與設計成為可能的解決方案，通過對異質結界面控制、工藝參數優化及理論數擬等方面的深入研究，可以實現更高的轉換效率，從而推動異質結及其技術與新型硅基太陽能電池更廣泛的融合。

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